火星サンプルリターン（MSR）ミッションの将来は不確実かもしれないが、アルキメデスも顔を赤らめるほどの強力な太陽光線を集中させて熱シールドのプロトタイプをテストしたサンディア国立研究所の科学者たちにはそんなことは言わないでほしい。
サンディア研究所は昨日、MSRと、土星の衛星タイタンの表面に自律回転翼機を送るドラゴンフライ・ミッションの両方のために、耐熱シールドのサンプルの試験を成功裏に実施したと報告した。
どちらのミッションでも、宇宙船は異星の大気圏突入時の極度の高熱に耐える必要があり、生存にはフェノール含浸カーボンアブレーター（PICA）コーティングが頼りになります。
1990年代にこの素材の発明に携わったNASAによれば、PICAは地球、火星、タイタンへの再突入条件に耐えられる最軽量のアブレーターであり、木材パルプセルロースから作られた炭素系複合材料でできているという。
SpaceXとNASAはどちらもPICAを広範囲に使用しているため、これは新しい材料ではなく、これまでテストされていないわけでもありません。興味深いのは、サンディア研究所がアブレーション材料のテストに取り組んでいる方法です。アークジェットやレーザーでサンプルを噴射するのではなく、太陽の受動的なエネルギーを利用しているのです。
アルキメデスの死の光線の真の威力を目の当たりにせよ
サンディア国立太陽熱試験施設 (NSTTF) で MSR の熱シールドのテストを実施する理由は単純です。これは火星から地球に岩石を持ち帰る最初のミッションであり、着陸時よりも出発時の重量が重くなるからです。
「積載物が重く、突入機が大きいほど、大気圏突入時に機体が高温になるため、より高性能な耐熱シールドが必要になる」とサンディア国立研究所のエンジニアでNASAの試験責任者であるケン・アルミジョ氏は述べた。
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NSTTF の試験施設は、レーザーやアーク ジェットに比べて明らかに有利な点があり、新しいタイプの宇宙船の熱シールドを試験するための魅力的な選択肢となっています。最大 3 フィート幅の材料片を扱える大きさで、通常は直径 8 インチのターゲットに限定されるレーザーやアーク ジェットで照射できるものよりはるかに大きいのです。
「基本的に、もし望むなら飛行機の破片をそのまま載せて、集中した太陽光線で爆撃することもできる」とアルミジョ氏は語った。すべては、標的にたくさんの鏡を集中させるだけで可能になる。
NSTTFの数多くの実験施設の中には、高さ200フィート（61メートル）の塔があり、その周囲には212枚の太陽反射鏡が配置されています。これは、発電に用いられる太陽光集光装置に似ています。この装置は太陽光を集光し、例えば晴れた日にビーチタオルに当たる量の3,500倍まで増幅することができます。同時に、火星やタイタンのような無酸素大気への突入を模擬するため、標的に窒素ガスを噴射します。
鏡からの太陽エネルギーで宇宙船の材料を噴射することで、目的達成に必要なエネルギーが少なくなるため、MSRミッションとドラゴンフライ用のPICAタイル試験は、サンディア国立研究所では他の施設よりも大幅に安価に実施できます。アルミジョ氏によると、NSTTFのソーラータワーでの試験費用は1日あたり約2万5000ドルです。確かに高額ですが、同様の用途でアークジェットやレーザー施設を稼働させるのに必要な10万ドル以上とは比べものになりません。アルミジョ氏はThe Register紙に対し、NSTTFの費用は人件費、運用費、施設維持費のみだと述べています。
サンディア国立研究所によると、実施されるテストの種類に応じて、NSTTFでの太陽光発電テストでは、テスト1回あたり15キロワットから60,000キロワットのエネルギー消費を削減できる。これは、洗濯乾燥機の最大20,000サイクルに相当する。
サンディア国立天文台太陽観測衛星施設のソーラータワーの頂上にNASAのアブレーション宇宙船被覆材試験用の資材を設置中 - クリックして拡大
NSTTFは1979年から存在し、NASAのスペースシャトルのノーズコーンを含むさまざまな材料のアブレーションテストを長年実施してきたとアルミジョ氏は語った。
PICAタイルが受けたような試験は、主に太陽放射量、つまり特定の地点で受ける太陽エネルギーの測定を目的としています。この施設では、極超音速および再突入時の放射量を評価するだけでなく、高放射量下での通信試験も可能であり、宇宙船が様々な軌道操作にどのように反応するかを理解する上でも役立ちます。
予算を削減するために何でもする
サンディア国立研究所におけるMSRのプレートのパッシブソーラー試験によって節約された資金が、この計画を救済するのに十分かどうかは誰にも分からない。試験は、この超野心的なプロジェクトに新たな問題が浮上する前に実施されたが、その実現可能性への懸念からNASAが一部要素の実施を延期する前のことだった。
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NASAは最近、懸念にもかかわらずMSR計画を進めたいと表明し、商業宇宙部門の支援を得てコストを大幅に削減する計画だ。NASAのビル・ネルソン長官は4月、他のプログラムとの競合を避けるため、MSRのコストを50億ドルから70億ドル削減する必要があると述べた。
「火星サンプルリターンは、NASAがこれまでに実施したミッションの中で最も複雑なものの一つとなるだろう」とネルソン氏は今年初めに述べた。「費用を抑えつつ、妥当な期間内にサンプルを回収できる方法を見つけるには、既成概念にとらわれない発想が必要だ」
NASAは10月時点で、提案をさらに発展させるため8社に最大150万ドルの契約を交付すると発表しており、契約を結んだのはスペースX、ロケット・ラボ、ブルー・オリジンなどとなっている。
提案自体はまだかなり非現実的であることに留意してください。例えば、SpaceXの提案では、火星のサンプルを地球に持ち帰るためにStarshipを使用する予定です。SpaceXは最近Starshipの開発でかなりの進歩を遂げていますが、地球への再利用のために着陸させることにはまだ成功しておらず、ましてや火星への着陸など実現していません。期待しましょう。®
